\section{二氧化碳}\label{sec:3-4}

碳元素除组成多种单质外，还组成各种化合物。这里只学习几种简单的碳的化合物。
首先学习碳的氧化物。在碳的氧化物里，最常见的是二氧化碳。

\subsection{二氧化碳的性质}

\begin{shiyan}
    在天平的一个托盘上，放置一个 250 毫升的烧杯，用砝码使天平两边达到平衡。
    取一瓶二氧化碳气体，先观察二氧化碳的颜色，然后把它慢慢地倾注到托上的烧杯里（图 \ref{fig:3-5}），
    仔细观察天平两边是否还保持平衡，为什么？
\end{shiyan}

\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=8cm]{../pic/czhx1-ch3-5}
    \caption{向烧杯里倾倒二氧化碳}\label{fig:3-5}
\end{figure}

二氧化碳是一种比空气重、没有颜色的气体。可以象倾倒液体那样，把二氧化碳从一个容器倒到另一个容器里。
在标准状况下，二氧化碳的密度是 $1.977 \; \kms$。
在通常状况下，1 体积的水约能溶解 1 体积的二氧化碳，增加压强会溶解得更多些。
汽水是将二氧化碳加压溶解在水里制成的。
在加压和冷却的情况下，二氧化碳变成无色的液体，温度再降低，还能够变成雪状的固体。
经过压缩的二氧化碳固体叫做 “干冰”。
在 1 标准大气压下，“干冰” 在 $-78.5$ ℃ 时直接变成二氧化碳气体。

\begin{shiyan}
    点着两支短蜡烛，分别放在一个梯形的小白铁皮架的两个阶梯上，把白铁皮架放在烧杯里。
    按图 \ref{fig:3-6}所示，向烧杯里倾倒二氧化碳。注意观察两支蜡烛先后分别发生的现象。
\end{shiyan}

\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \begin{minipage}[b]{7cm}
        \centering
        \includegraphics[width=4cm]{../pic/czhx1-ch3-6}
        \caption{二氧化碳熄灭蜡烛火焰}\label{fig:3-6}
    \end{minipage}
    \qquad
    \begin{minipage}[b]{7cm}
        \centering
        \includegraphics[width=4cm]{../pic/czhx1-ch3-7}
        \caption{向澄清石灰水里吹二氧化碳}\label{fig:3-7}
    \end{minipage}
\end{figure}


在一般情况下，二氧化碳既不能燃烧，也不能支持燃烧。二氧化碳不能供给呼吸。

\begin{yuedu}
    二氧化碳不能供给呼吸，在二氧化碳过多而氧气不足的地方，人们会感到窒息。
    通常空气里含二氧化碳 $0.03\%$。
    空气里二氧化碳含量达 $1\%$ 的时候，对人就有害处，
    达 $4 \text{—} 5\%$ 的时候，便会使人到气喘、头痛、眩晕，
    达 $10\%$ 的时候， 能使人不省人事， 呼吸逐渐停止，以致死亡。
\end{yuedu}

干涸的深井、深洞和久未开启的甘薯窖或白菜窖的底部，二氧化碳的浓度较大，
在进入这些地方前，须先用灯火试验，如灯火熄灭或燃烧得不旺，就不要进去。

\begin{shiyan}
    向紫色石蕊\footnote{石蕊是一种色素，遇酸变成红色。}试液里通入二氧化碳，观察石蕊试液颜色的变化。
\end{shiyan}

二氧化碳溶解在水里，生成碳酸（\ce{H2CO3}）。
\begin{fangchengshi}
    \ce{ CO2 + H2O = H2CO3 }
\end{fangchengshi}

碳酸能使石蕊试液变成红色，只是颜色浅些。
碳酸分子里的 \ce{CO3} 部分是一个原子团，叫做碳酸根。

\begin{shiyan}
    通过一根约 15 厘米长的玻璃管，向澄清的石灰水里吹气（图\ref{fig:3-7}）。观察石灰水发生的变化。
\end{shiyan}


人们向澄清的石灰水〔\ce{Ca(OH)2} 溶液〕里吹入二氧化碳时，就会发生反应，
使石灰水变浑浊，这是由于生成白色的碳酸钙沉淀的缘故。这个反应可以用化学方程式表示如下：
\begin{fangchengshi}
    \ce{ CO2 + Ca(OH)2 = \underset{\text{碳酸钙}}{\ce{CaCO3}} v + H2O }
\end{fangchengshi}

常用这个反应来鉴定二氧化碳。


\subsection{二氧化碳的制法}

\begin{wrapfigure}[12]{r}{5cm}
    \centering
    \includegraphics[width=4cm]{../pic/czhx1-ch3-8}
    \caption{制取二氧化碳的装置}\label{fig:3-8}
\end{wrapfigure}

在实验室里，二氧化碳常用稀盐酸跟大理石或石灰石（主要成分都是 \ce{CaCO3}）起反应而制得。

\begin{shiyan}
    图 \ref{fig:3-8} 是制取二氧化碳的装置。
    在左边的广口瓶里放些大理石的小块，
    从长颈漏斗注入稀盐酸（为了防止气体从长颈漏斗逸出，需将漏斗下端插入液面以下）。
    注意观察广口瓶里生的变化。
    怎样用集气瓶收二氧化碳？怎样证明集气瓶里已充满了二氧化碳？
\end{shiyan}


由于二氧化碳能溶于水，比空气重，所以不能用排水法收集，但可用向上排空气法收集在集气瓶里。
用燃着的火柴放在集气瓶口试验，如果火焰熄灭，证明瓶里已充满了二氧化碳。

这个反应的化学方程式可表示如下：
\begin{fangchengshi}
    \ce{ CaCO3 + 2HCl = $\underset{\text{氯化钙}}{\ce{CaCl2}}$ + H2CO3 }
\end{fangchengshi}

碳酸钙跟盐酸起反应，先生成氯化钙和碳酸，而碳酸是一种很不稳定的物质，容易分解成二化碳和水。
\begin{fangchengshi}
    \ce{ H2CO3 = H2O + CO2 ^ }
\end{fangchengshi}

碳酸钙跟盐酸起反应的总的化学方程式是：
\begin{fangchengshi}
    \ce{ CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2 ^ }
\end{fangchengshi}

工业上在高温下煅烧石灰石来制取生石灰（\ce{CaO}）, 同时生成的二氧化碳是副产品。
\begin{fangchengshi}
    \ce{ CaCO3 $\xlongequal{\text{高温}}$ CaO + CO2 ^ }
\end{fangchengshi}


\subsection{二氧化碳的用途}

二氧化碳不能支持燃烧，又比空气重，如果让二氧化碳覆盖在燃着的物体上，就能使物体跟空气隔绝而停止燃烧。
因此二氧化碳可以用来灭火。通常的灭火器就是利用化学反应产生的二氧化碳来灭火的一种设备，
灭火器里的二氧化碳是由硫酸跟碳酸钠（\ce{Na2CO3}） 起反应来制取的。
\begin{fangchengshi}
    \ce{ Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2O + CO2 ^ }
\end{fangchengshi}

\begin{shiyan}
    在吸滤瓶里注入碳酸钠的浓溶液，把盛有浓盐酸\footnote{这里用浓盐酸代替硫酸。}的小试管系住，
    小心地放进吸滤瓶（注意：不要使浓盐酸流出），把塞子塞紧（图 \ref{fig:3-9} I）。
    然后把吸滤瓶倒转过来（图 \ref{fig:3-9} II），使两种溶液混和，注意观察吸滤瓶的侧管
    {\large \heiti（要注意安全，实验者切勿让侧管对着别人或自己）}
    有什么现象发生？为什么？
\end{shiyan}

\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \includegraphics[width=8cm]{../pic/czhx1-ch3-9}
    \caption{灭火器原理}\label{fig:3-9}
\end{figure}


通常使用的灭火器有泡沫灭火器、干粉灭火器和液态二氧化碳灭火器等。

\begin{yuedu}
    泡沫灭火器里除装有用于产生二氧化碳的原料外，还有能产生泡沫的
    物质\footnote{在常用的泡沫灭火器里，用硫酸铝〔\ce{Al2(SO4)3}〕来代替硫酸，
        并用碳酸氢钠（\ce{NaHCO3}）来代替碳酸钠。
        为了发生泡沫，常放人用甘草或皂角等作原料制取的液体。
    }。
    泡沫灭火器的原理和上面介绍的灭火器原理是一致的。

    干粉灭火器是用压缩的二氧化碳吹干粉\footnote{干粉主要含有碳酸氢钠等物质。}作灭火剂的，
    干粉具有流动性好、喷射率高、不腐蚀容器和不易变质等优良性能。

    在加压的情况下，把液态二氧化碳装入小钢瓶里，可以制成液态二氧化碳灭火器。
    这种灭火器可以用在不适于用水扑灭的油类或电器着火上。（为什么不能用水扑灭这类火呢？）
    当打开阀门的时候，喷出的二氧化碳生成一层气体覆盖层，使火焰立即熄灭，而物体不会损坏。
\end{yuedu}

二氧化碳也是一种工业原料，可以用在制纯碱、尿素、糖和汽水等工业上。

“干冰” 可用作致冷剂，用来保藏很容易腐败的食品。
因为 “干冰” 蒸发以后，没有液体留下，不会使食品潮湿。
用飞机从高空撒布 “干冰”， 能够使空气里的水蒸气冷凝，变成水滴下降。
这是人工降雨的一种方法。

植物进行光合作用，需要二氧化碳，生成糖和淀粉。
在温室里施用二氧化碳作肥料，可以提高农作物的产量。


\liti[0] 有半瓶稀盐酸，内含氯化氢 60 克，使这些氯化氢跟 75 克碳酸钙起反应，
可制得二氧化碳多少克？反应后，两种反应物中哪一种过剩？剩余多少克？

\jie 首先通过计算判断哪一种反应物过剩。

设 $x$ 为跟 75 克碳酸钙起反应所需的氯化氢的克数，并设 $y$ 为生成的二氧化碳的克数。
\begin{fangchengshi}
    \dengshi{0}{-1}{
        2(35.5 + 1) \\
        =73 \\
        x \ke
    }
    \dengshi{2.5}{-1}{
        40 + 12 + 16 \times 3  \\
        = 100  \\
        75 \ke
    }
    \dengshi{6.5}{-1}{
        12 + 16 \times 2\\
        = 44  \\
        y \ke
    }
    \ce{ 2HCl + CaCO3 = CaCl2 + H2O + CO2 ^ } \\[4em]
\end{fangchengshi}

先求所需氯化氢克数
\begin{align*}
    & 73:100 = x:75 \\
    & x = \dfrac{73 \times 75}{100} = \dfrac{219}{4} = 54.7 \; (\ke)
\end{align*}

反应所需氯化氢比反应物中的氯化氢少 $60 - 54.7 = 5.3 \;(\ke)$， 说明原料中氯化氢过剩 5.3 克。

然后根据没有过剩的即反应完全的那种反应物碳酸钙的量，计算制得的二氧化碳的量。
\begin{align*}
    & 100:44 = 75:y \\
    & y = \dfrac{44 \times 75}{100} = 33 \; (\ke)
\end{align*}

答：可制得二氧化碳 33 克，在两种反应物中氯化氢过剩， 剩余 5.3 克。



\begin{xiti}

\xiaoti{选择正确的答案填写在括号里。}
\begin{xiaoxiaotis}

    \xxt{二氧化碳是 \ewkh 。\\
        \tc{1} 无色的气体， \tc{2}一种有刺鼻气味的气体， \tc{3} 一种有毒的气体， \tc{4} 一种黄烟。
    }


    \xxt{二氧化碳能够灭火是因为 \ewkh 。\\
        \tc{1} 它是气体， \tc{2} 它在高压低温下能变成“干冰”，\\
        \tc{3} 它不能燃烧，也不支持燃烧， \tc{4}它溶于水。
    }

\end{xiaoxiaotis}


\xiaoti{为了使石灰浆〔\ce{Ca(OH)2}〕抹的墙壁快点干燥，常常在室内生个炭火盆。
    为什么在放炭火盆的开始，墙壁反而更潮湿？写出反应的化学方程式。
}


\xiaoti{下述反应都能生成二氧化碳气体吗？如果能，写出反应的相应化学方程式。}
\begin{xiaoxiaotis}

    \xxt{碳酸钾（\ce{K2CO3}）跟稀硫酸起反应，}

    \xxt{木炭在空气里燃烧，}

    \xxt{煅烧石灰石，}

    \xxt{大理石跟盐酸起反应。}

\end{xiaoxiaotis}


\xiaoti{把氧化铜跟木炭粉各 1.59 克混和，放在大试管里加热。
    反应完毕后，生成铜多少克？如果反应物中有过剩的，指出是哪一种，并计算剩余多少？
}

\end{xiti}

